Los relojes atómicos son los mejores sensores que la humanidad haya construido jamás. Hoy en día, se pueden encontrar en institutos nacionales de estándares o satélites de sistemas de navegación. Científicos de todo el mundo están trabajando para optimizar aún más la precisión de estos relojes. Ahora, un grupo de investigación dirigido por Peter Zoller, un teórico de Innsbruck, Austria, ha desarrollado un nuevo concepto que se puede utilizar para operar sensores con una precisión aún mayor, independientemente de la plataforma técnica que se utilice para fabricar el sensor. "Respondemos a la pregunta de qué tan preciso puede ser un sensor con las capacidades de control existentes y damos una receta de cómo se puede lograr", explican Denis Vasilyev y Raphael Kaubrügger del grupo de Peter Zoller en el Instituto de Óptica Cuántica e Información Cuántica en el Academia de Ciencias de Austria en Innsbruck.

Para ello, los físicos utilizan un método de procesamiento de información cuántica:los algoritmos cuánticos variacionales describen un circuito de puertas cuánticas que depende de parámetros libres. Mediante rutinas de optimización, el sensor encuentra de forma autónoma los mejores ajustes para un resultado óptimo. "Aplicamos esta técnica a un problema de la metrología:la ciencia de la medición", explican Vasilyev y Kaubrügger. "Esto es emocionante porque históricamente los avances en la física atómica fueron motivados por la metrología y, a su vez, surgió el procesamiento de información cuántica. Entonces, aquí hemos cerrado el círculo", dice Peter Zoller. Con el nuevo enfoque, los científicos pueden optimizar los sensores cuánticos hasta el punto en que logran la mejor precisión posible técnicamente permisible.

Mejores mediciones con poco esfuerzo adicional

Durante algún tiempo, se ha entendido que los relojes atómicos podrían funcionar con mayor precisión si se explota el entrelazamiento de la mecánica cuántica. Sin embargo, ha habido una falta de métodos para realizar un enredo robusto para tales aplicaciones. Los físicos de Innsbruck ahora están utilizando un entrelazamiento hecho a la medida que se ajusta con precisión a los requisitos del mundo real. Con su método, generan exactamente la combinación que consta de estado cuántico y mediciones que es óptima para cada sensor cuántico individual. Esto permite que la precisión del sensor se acerque al máximo posible de acuerdo con las leyes de la naturaleza, con solo un ligero aumento en la sobrecarga. "En el desarrollo de computadoras cuánticas, hemos aprendido a crear estados entrelazados a la medida", dice Christian Marciniak, del Departamento de Física Experimental de la Universidad de Innsbruck. "Ahora estamos utilizando este conocimiento para construir mejores sensores".

Demostración de la ventaja cuántica con sensores

Este concepto teórico ahora se implementó en la práctica por primera vez en la Universidad de Innsbruck, como informó ahora el grupo de investigación dirigido por Thomas Monz y Rainer Blatt en Nature . Los físicos realizaron mediciones de frecuencia basadas en cálculos cuánticos variacionales en su computadora cuántica de trampa de iones. Debido a que las interacciones utilizadas en las trampas de iones lineales todavía son relativamente fáciles de simular en computadoras clásicas, los colegas teóricos pudieron verificar los parámetros necesarios en una supercomputadora en la Universidad de Innsbruck. Aunque la configuración experimental no es perfecta, los resultados concuerdan sorprendentemente bien con los valores predichos teóricamente. Dado que tales simulaciones no son factibles para todos los sensores, los científicos demostraron un segundo enfoque:utilizaron métodos para optimizar automáticamente los parámetros sin conocimiento previo. "Al igual que el aprendizaje automático, la computadora cuántica programable encuentra su modo óptimo de forma autónoma como un sensor de alta precisión", dice el físico experimental Thomas Feldker, al describir el mecanismo subyacente.

"Nuestro concepto permite demostrar la ventaja de las tecnologías cuánticas sobre las computadoras clásicas en un problema de relevancia práctica", enfatiza Peter Zoller. "Hemos demostrado un componente crucial de los relojes atómicos mejorados cuánticamente con nuestra interferometría Ramsey variacional. Ejecutar esto en un reloj atómico dedicado es el siguiente paso. Lo que hasta ahora solo se ha demostrado para cálculos de relevancia práctica cuestionable ahora podría demostrarse con un sensor cuántico programable en un futuro próximo:ventaja cuántica".

Los resultados se publicaron en las revistas Nature y Revisión física X. + Explora más

Manipulación de los estados oscuros de los circuitos superconductores en una guía de ondas de microondas